חיידקים באדמה

בתוך האדמה חיה כמות אדירה של יצורונים, וככל הנראה זהו בית הגידול העשיר והמגוון ביותר בכדור הארץ. כיצד הם מתקיימים שם? 

אדמה – שכבה המצפה את קרום כדור הארץ במקומות רבים שאינם מכוסים על ידי האוקיינוסים, הימים והקרחונים. עובייה הממוצע הוא כמטר אחד והיא מכילה מרכיבים המשתנים בהתאם לסלע שמתחתיה (אם ממנו היא נוצרה) וממרכיבים אחרים המגיעים אליה עם הרוחות ועם זרימות המים. יש חומרים נוספים שמהם היא מורכבת, כגון שאריות ומטבוליטים של היצורים והיצורונים שחיים בה ומעליה. האדמה מהווה בית גידול תחרותי ואתגרי ליצורונים רבים, לצמחים ולבעלי חיים – אשר כולם משפיעים על הרכבה. מובן שמי שמתאים את עצמו לתנאי הגידול בצורה הטובה ביותר – הוא זה שישגשג - במקביל או על חשבון יצורונים אחרים.

מספר היצורונים באזורים מסוימים של גרם אדמה עשויה להגיע ל-10¹⁰ (עשרה מיליארד), וכנראה שמדובר בבית הגידול העשיר והמגוון ביותר על פני כדור הארץ. באזורים יבשים (למשל הנגב) המספר קטן בהרבה – כעשירית מזה או פחות. אך עדיין מדובר במספר עצום של יצורונים.

אפשר להתייחס לשלושה בתי גידול שונים שנמצאים באדמה – הן מבחינת מאפייניהם והן מבחינת הרכב היצורונים שבהם: האדמה "החופשית" – נטולת הצמחים; בית גידול שבסביבת שורשי הצמחים; ובית הגידול שבתוך השורשי הצמחים. בכתבה זו אתייחס רק לבית הגידול הראשון – האדמה ה"חופשית".

קרום של חיידקים ואחרים באדמה המדברית

אזורים מדבריים מסויימים, כמו מרבית הנגב שלנו, וכ-70 אחוז מהמדבריות של אוסטרליה, מאופיינים בתנאים של טמפרטורה גבוהה ושל קרינה על-סגולה חזקה בשעות היום, קור מקפיא בלילה, ומיעוט משקעים. באיזורים כאלה מכסה את האדמה קרום ביולוגי בלתי נראה המורכב בעיקר מחיידקים כחוליים קוּריים, לרוב מהסוג Microcoleus. מה מאפשר לחיידקים אלה לחיות בתנאי מדבר כה קיצוניים? לחיידקים אלה שלוש תכונות החשובות לקיומם בסביבה כזו: מערכות אור (Photosystems) המכילות בין היתר את הצבען כלורופיל ומאפשרות להם להמיר את אנרגיית השמש לאנרגיה כימית זמינה; מדור מיוחד, המכונה קרבוקסיזום (Carboxysome) המכיל את האנזים RuBisCO ה"קושר" פחמן דו-חמצני מהאוויר ומאפשר שימוש בו כמקור לפחמן זמין, לבניית סוכרים, חלבונים, שומנים וחומצות גרעין; מערכת אנזימתית בשם ניטרוגנז (Nitrogenase) הקושרת חנקן מולקולרי מהאוויר, וממירה אותו לאמוניה, שהיא תרכובת חנקן שזמינה לחיידקים.

Microcoleus vaginatus

אוניברסיטת John Carroll, קליבלנד

בתנאי יובש וחום נעים חיידקי ה-Microcoleus מפני השטח אל כשני מילימטר מתחת לפני השטח. בשעות האור המוקדמות של הבוקר, כשנהיה לח קצת יותר, בשעות האור המוקדמות של הבוקר, כשאדי המים מתעבים על הקרום (טל), נעים החיידקים שוב אל פני השטח וצבע הקרום משתנה לירקרק. אז, כל עוד הלחות קיימת ולא מתנדפת בחום, הם מבצעים את תהליך הפוטוסינתזה.

כשיש אנרגיה ומקורות לפחמן וחנקן זמינים, הגורם המגביל את התרבות החיידקים ואת עובי הקרום הביולוגי הוא זמינות המים. כשאין כלל משקעים, או שכמותם מאוד נמוכה (עד 100 מ"מ גשם לשנה) מקור המים העיקרי הוא אדי המים שבאוויר, שמתעבים על החיידקים ונקלטים על ידם. במקרה כזה עובי הקרום הוא בין 2-1 מ"מ בלבד. באזורים שבהם משקעים רבים, עובי הקרום יכול להגיע לכ-15 מ"מ. אז משתלבים בו גם חיידקים נוספים, אצות ירוקיות, חזזיות וטחבים. אפשר להבחין בקיומו של הקרום כאשר הוא מתייבש לגמרי – כיוון שאז הוא מתקלף מהקרקע.

Stefan Kühn, wikimedia commons

מה בונה את הקרום הראשוני? החיידקים הקוריים מפרישים ריר סוכרי דביק המחבר הן את החיידקים לגרגרי האדמה ואת גרגרי האדמה זה לזה. החיידקים עצמם מופצים  באמצעות ספיחה לגרגרי אבק. כאשר יש שיפור במאזן המים מצטרפים לקרום חיידקים כחוליים נוספים – קושרי חנקן יעילים יותר, מהסוגים Calotrix ו-Nostoc, שיוצרים מצע מַתְאים להתבססות גם של אצות ירוקיות על הקרום, ובעקבותיהן טחבים וחזזיות.

הקרום מייצב את הקרקע ומונע את היסחפותה בעת שיטפונות. הקרום אינו סופג מים וזה גורם לכך שכשיש משקעים, הם אינם נספגים בקרקע, אלא זורמים מעליה אל המקומות הנמוכים (נגר עילי). הקרום אף סופח אליו סחופת ואבק שמגיעים עם הנגר העילי והרוחות. הוא אינו מאפשר למרבית הזרעים של הצמחים המדבריים "להיאחז" בו ולנבוט. רק צמחים מעטים מייצרים זרעים שנאחזים בסדקים בקרום (בעת יובש) ונובטים בו. אך לאחר שנביטה כזו מתחילה והתנאים מאפשרים זאת, יוחלף בהדרגה הקרום בצמחייה מדברית.

הקרום מהווה בסיס לשרשרות מזון במדבר. גם הטחביות (האיזופוד המדברי) וגם שבלולים שונים ניזונים ממרכיבי הקרום. הם עצמם משמשים מזון ליצורים גדולים יותר - לזוחלים, ליונקים ולעופות. הלטאות המדבריות, כמו הישימוניות, "נעזרות" בקרומים לייצוב המחילות שלהן. פגיעה בקרומים גורמת לפתחי המחילות שלהן להתמוטט.

לפעילות האדם במדבר השפעות לא טובות על הקרום הביולוגי. נסיעת כלי רכב מסוגים שונים (טרקטורונים, ג'יפים, כלים חקלאיים), תנועה של עדרי גמלים בקר וצאן, חרישת השדות לצרכים חקלאיים, שריפות, שימוש בקוטלי עשבים – כל אלה ועוד גורמים להרס של הקרום הביולוגי ובכך מאפשרים את סחיפת הקרקע והדלדלותה.

ובאזורים גשומים: לא רק חיידקים

כשיורד גשם ראשון לאחר תקופה של עצירת גשמים מתמלא האוויר בניחוחות אופייניים של אדמה רטובה. ניחוחות אלה, שאותם אנו מכנים כ"ריח הגשם", מקורם בחזרתם לפעילות של יצורוני האדמה "המיובשים" עקב הרטבתם בגשם. הם מפרישים לסביבה מטבוליטים נדיפים – שהם "ריח הגשם".

חיידקים מהווים את האוכלוסייה הדומיננטית באדמה – כעשרה מיליארד מהם נמצאים בגרם אדמה. מבחינת הֶרכב המינים – לפי הערכות המתבססות על סריקת החומר הגנטי (rDNA) יש כ-6,000 מינים שונים, אך רק כ-2-1 אחוזים מהם ניתנים לגידול בתרבית במעבדה. במקומות שבהם האדם אינו מעורב, מדובר באוכלוסייה מקומית טבעית, אך במקומות המושפעים מפעילות האדם, אוכלוסיית החיידקים מעורבת עם חיידקים שמקורם בפעילות האדם, שמגיעים מהזרמת שפכים, החקלאות ועוד.

רוב חיידקי האדמה הם אווירניים (חייבים חמצן לקיומם), אך גם אל-אווירניים מיוצגים שם, בעיקר כאלה שהופרשו ממערכות עיכול של בעלי חיים, שבאדמה מופיעים כנבגים.

קבוצת חיידקים חשובה, הנמצאת באדמה בכמויות קטנות יחסית (100 מיליון חיידקים בגרם) היא קבוצת האקטינומיצטים – חיידקים קוריים, מחטיבת האקטינובקטריה, שפעם נחשבו בטעות כפטריות (ומכאן השם ה"פטרייתי" שלהם – שנשאר למרות השינוי הטקסונומי). לחיידקים אלה יכולות מטבוליות מעניינות וחשובות - כיכולת פירוק תאית וסוכרים מורכבים אחרים. הם אף מפרישים מטבוליטים שניוניים כחומרים אנטיביוטיים וחומרים נוספים. אחד מהם הוא הגאוסמין (Geosmin), החומר הנדיף שנותן לאדמה את ריחה האופייני. לרבים מהאקטינומיצטים, אך לא רק להם, תפקידים חשובים ביצירת קומפוסט.

 Geosmin - Wikimedia commons

כ-90 אחוזים - ואולי אף יותר - מהחיידקים צמודים לגרגרי האדמה ולשכניהם (לפעמים גם פטריות ואצות) ויוצרים איתם קרום ביולוגי. הנותרים חיים בצורה חופשית. הצורה הקרומית משפרת את תנאי הגידול של החיידקים ומאפשרת להם ליצור בסביבה המשותפת תנאים טובים יותר לגידול.

פטריות נמצאות באדמה בכמויות "זעירות" של עד מיליון לגרם. אך עקב נפחו של התא הפטרייתי (פי כ-100 מתאי החיידקים והארכאונים, המסה הביולוגית שלהם שקולה למסה הביולוגית של החיידקים. לפטריות תפקיד חשוב בפירוק ובמִחזוּר של חומרים אורגניים. פטריות רבות חיות בסימביוזה עם שורשי צמחים.

אצות ירוקיות, בעיקר אלה שחיות רק על פוטוסינתזה (וכתוצאה מכך זקוקות לאור ולפחמן דו חמצני) נפוצות רק בשכבה העליונה (10 ס"מ) של האדמה, שם כמותם מגיעה לכ-10,000 תאים לגרם. בשכבות הנמוכות יותר מוצאים אמנם כמות קטנה של אצות, אבל רק כאלה שמסוגלות לקלוט חומרים אורגניים מהסביבה. כשנוצרים מרבדים נראים של אצות, בתנאים של לחות גבוהה וטמפרטורה מתאימה, כמותן מגיעה למיליוני תאים לגרם.

אחרונים וחביבים הם הפרוטוזואונים שנמצאים באדמה – בעיקר בשכבה העליונה, בכמויות של משתנות של בין 30 אלף עד כמיליון וחצי לגרם, בהתאם לסוגי אדמה שונים. הם ניזונים מחיידקים, מאצות ומפטריות, ובעצמם מהווים טרף לתולעים וליצורים רב תאיים אחרים.

עולם מופלא

מסתבר שהאדמה החומה שאנו רואים מסתירה בתוכה עולם עשיר ומורכב של יצורונים מסוגים שונים, שרק כשני אחוזים מתוכו מוכר למדענים העוסקים בנושא (ועוד לא עסקנו בשורשי הצמחים וּבמה שמתרחש שם, ונעשה זאת בהזדמנות אחרת). חשוב גם להדגיש שבמקומות נידחים, אך גם במקומות קרובים, מסתתרים עוד המוני חיידקי אדמה לא מוכּרים המייצרים כימיקלים מסוגים שונים, שאולי חלק מהם יסייעו לנו בעתיד כמו שאחדים מהם (יצרני האנטיביוטיקה ותרופות אחרות) כבר עשו.

לקריאה נוספת

קרומי קרקע ביולוגיים ותפקידם במערכת אקולוגית מדברית - אלי צעדי – אקולוגיה וסביבה 5, 1999:

פורסם ב"גליליאו" 190, יולי 2014